ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МИНЕРАЛАХ

 

Минералами называются природные химические соединения или самородные элементы, возникающие в земной коре и на ее поверхности в результате различных физико-химических процессов.

В. И. Вернадский (1923) определял минерал как «физически или химически индивидуализированный продукт земных химических реакций, состоящий из химических молекул». В определении минерала у ученых возникают разногласия по вопросу об агрегатном состоянии вещества. Большинство относят к минералам лишь твердые продукты, другие (в том числе Вернадский) считают минералами также природные жидкости и газы.

Горные породы – это плотные или рыхлые агрегаты, состоящие из однородных или различных минералов, либо минералов и обломков других пород. Они образуются в результате геологических процессов в определенной среде, как в глубоких горизонтах земной коры, так и на поверхности, в континентальной и водной обстановках. Геохимики называют горными породами естественные агрегаты минералов, состоящих из петрогенных элементов.

Известно около 3 тыс. минералов. Однако лишь немногие из них широко распространены в земной коре и участвуют в сложении горных пород. Эти минералы называются породообразующими. Минералы, количественно ничтожные в составе горных пород, называются акцессорными.

В курсе общей геологии изучаются главнейшие породообразующие минералы в твердом состоянии. Большинство из них имеют кристаллическое строение, т. е. более или менее хорошо выраженную форму многогранников, неправильных зерен или сплошных масс.

Основным признаком кристаллических веществ является строго определенная группировка слагающих их атомов и ионов, которые занимают определенные места в пространстве, образуя кристаллические решетки(рис. 1). От этой группировки зависит форма кристаллов.

 

Рис. 1 Кристаллические решетки некоторых минералов:

I – галита, II – алмаза, III – графита

 

Минералы некристаллического строения, образующие бесформенные массы в виде натеков, называются аморфными. К ним относится лимонит, опал и др. По мнению некоторых геологов-ученых, аморфными называются такие минералы, кристаллическая природа которых современными методами исследования не установлена. Они подобны жидкостям или расплавам. Физические свойства аморфных веществ характеризуются изотропностью, т. е. они одинаковы во всех направлениях (электропроводность, теплопроводность, твердость, оптические свойства и др.). При нагревании такие минералы не плавятся, а размягчаются, так как представляют собой «твердые жидкости». Различие во внутреннем строении приводит к различию свойств и внешних признаков кристаллических и аморфных веществ.

 

11.1. КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ МИНЕРАЛЫ

 

К числу характерных свойств большинства кристаллических минералов относится свойство самоогранения, т. е. способность образовывать кристаллы. Каждому минералу присуща своя кристаллическая форма, зависящая от типа химических связей решетки, химического состава и условий его образования (рис. 2).

Рис. 2. Различные природные формы кристаллов:

I – пирит в форме пентагон-додекаэдра, II – гипс (простой кристалл и двойники),

III – кальцит

В кристалле различают следующие элементы: грани, или плоскости, ограничивающие кристалл, ребра – линии пересечения граней, вершины – точки пересечения ребер, гранные углы кристалла – угол между гранями. Для всех кристаллов одного и того же вещества углы между соответствующими гранями одинаковы и постоянны. Этот закон постоянства гранных углов – один из важнейших законов кристаллографии. Он вытекает из того, что частицы вещества в кристаллах располагаются в определенном порядке, и каждая грань кристалла соответствует определенному направлению в его внутренней структуре. Этот закон позволяет определять минералы даже в мелких обломках кристаллов, если они в какой-то мере сохраняют естественные грани. Каждый естественный кристалл имеет свою форму, характеризующуюся определенным сочетанием элементов симметрии. Симметрия – это закономерность в расположении элементов ограничения кристалла, выражающаяся в закономерной повторяемости частей при вращении кристалла (рис. 3).

Рис. 3. Элементы симметрии:

I – 9 плоскостей симметрии Р в кубе, II – центр симметрии С

 

Прямая линия, при повороте вокруг которой всегда на один и тот же угол все части кристалла симметрично повторяются n раз, называется осью симметрии (обозначается буквой L). Число n, показывающее, сколько раз при повороте на 360° кристалл может совмещаться с исходным положением, называется порядком или значимостью оси и обозначается цифрой, которая ставится вверху справа у буквы L. Число n – всегда целое, и в кристаллах могут существовать оси симметрии только 2-го, 3-го, 4-го и 6-го порядков. Плоскость симметрии – мысленно проведенная плоскость, разделяющая симметричную фигуру на две равные части, из которых одна является зеркальным подобием другой. Обозначается буквами Р или m. В кубе таких плоскостей девять.

Многие кристаллические многогранники имеют центр симметрии – точку внутри кристалла, на равных расстояниях от которой в диаметрально противоположных направлениях располагаются одинаковые элементы ограничения (параллельные грани, вершины). Он обозначается буквой С. Ось, плоскость и центр симметрии называются элементами симметрии. Число их зависит от внутреннего строения кристаллов и строго ограничено.

Русский ученый А. В. Гадолин доказал, что у кристаллов возможны 32 различные комбинации элементов симметрии, называемые видами, или классами симметрии. Все виды симметрии группируются по степени сложности в семь крупных групп или систем, называемых кристаллографическими сингониями: триклинная, моноклинная, ромбическая, тетрагональная, или квадратная, тригональная, гексагональная и кубическая. Изучением кристаллического строения минералов занимается наука кристаллография.

В природе кристаллические минералы встречаются как в виде одиночных кристаллов или их сростков, так и в виде скоплений, называемых минеральными агрегатами. Эти агрегаты состоят из зерен, обладающих внутренним кристаллическим строением. Среди минералов выделяются три группы, обладающие характерным обликом, или габитусом кристаллов:

1) изометрические формы, одинаково развитые по всем трем направлениям, – магнетит, пирит, гранат;

2) удлиненные в одном направлении формы – призматические, столбчатые, игольчатые и лучистые – барит, кварц, роговая обманка и др.;

3) формы, вытянутые в двух измерениях при сохранении третьего короткого, – таблитчатые, пластинчатые, листоватые н чешуйчатые кристаллы – хлорит, гипс, слюды.

Некоторые минералы образуют закономерно сросшиеся кристаллы и называются двойниками, тройниками и т. д. Двойники возникают в результате взаимного прорастания или срастания кристаллов. Незакономерные агрегаты кристаллов называются друзами и «щетками», нарастающими на стенках полостей и пещер в горных породах. Друзы – это сростки более или менее правильных кристаллов, приросших одним концом к породе. Для их образования необходимы открытые полости, в которых может происходить свободный рост кристаллов. Кроме того, многие кристаллические минералы дают сложные неправильные формы, образуя дендриты, натечные формы и т. д. Дендриты образуются в результате быстрой кристаллизации минералов в тонких трещинах и порах породы и напоминают причудливые по форме ветки растений. Иногда минералы почти целиком заполняют небольшие пустоты, образуя секреции. Секреции имеют концентрическое строение, и их заполнение минеральным веществом происходит от периферии к центру. Крупные секреции с оставшейся в середине пустотой называются жеодами, мелкие секреции в излившихся породах называются миндалинами. Конкреции представляют стяжения шарообразной или неправильной округлой формы и образуются в результате отложения минерального вещества вокруг какого-либо центра кристаллизации. Они часто имеют радиально-лучистое внутреннее строение. В отличие от секреций рост конкреций идет от центра к периферии. Очень часто в виде конкреций встречаются фосфорит и марказит. По своему строению с конкрециями сходны оолиты – мелкие округлые образования (до 10 мм в поперечнике), имеющие концентрическое строение и возникающие при выпадении минерального вещества из водных растворов. В таком виде встречаются руды марганца, железа, алюминия и известняк.

Если кристаллизация веществ из растворов происходит медленно или раскристаллизации подвергаются коллоиды с образованием метаколлоидов, то при этом образуются натечные формы, имеющие вид сосулек, почек или гроздей, прожилок, жил или гнезд. Натеки, свисающие в виде сосулек сверху, называются сталактитами, а нарастающие им навстречу снизу вверх – сталагмитами. Тонкие пленки минералов на поверхности горных пород называются налетами, выцветами.

В природе часто можно встретить минералы одной и той же кристаллической формы, но с переменным химическим составом. Эти минералы часто являются твердыми растворами, состоящими из одного или нескольких компонентов, аналогичных по структуре, но различных по составу. Количественные соотношения между ионами в таких формах могут меняться при сохранении основной структуры. Это явление, при котором в кристаллической решетке какого-либо вещества допускается замена одних ионов (например, Fе²⁺) ионами другого состава (Са²⁺) без изменения основной формы кристаллической решетки, называется изоморфизмом. Примером изоморфной смеси могут служить плагиоклазы, представляющие собой смесь двух компонентов – альбита Na[AlSi₃O₈] и анортита Ca[Al₂Si₂O₈]. Для того чтобы изоморфное замещение стало возможным, взаимно замещающиеся ионы должны иметь близкие по размерам ионные радиусы, и сумма их валентности должна быть одинаковой.

Характерным свойством некоторых минералов является способность образовывать различные кристаллические решетки при одном и том же химическом составе. Это явление носит название полиморфизма. Так, кальцит СаСО₃ кристаллизуется в тригональной сингонии, а арагонит СаСО₃ – в ромбической. Другим примером могут служить алмаз, кристаллизующийся в кубической сингонии, и графит, образующий столбчатые кристаллы гексагональной сингонии (см. рис. 1). Оба эти минерала состоят из одного углерода (С). Иногда минералы принимают несвойственную им кристаллографическую форму, образуя точную копию другого минерала или органического образования. Такие формы называют псевдоморфозами (ложными формами). Простейшим примером псевдоморфоз являются окаменелости, в которых органическое вещество животного или растения целиком замещается кальцитом, опалом или халцедоном, сохраняя, однако, все особенности своей первоначальной формы. Часто встречаются псевдоморфозы лимонита по пириту, представляющие собой кристаллы кубической формы нацело окисленного и перешедшего в лимонит пирита.

11.2. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МИНЕРАЛОВ

 

Физические свойства минералов определяются на глаз, т. е. визуально, без применения каких-либо увеличивающих приборов (макроскопически). Определение физических свойств минерала позволяет отличить его от других и дать ему название. Для определения минерала устанавливают его цвет в куске и в порошке; прозрачность, блеск, спайность, излом, твердость, удельный вес и специфические свойства, присущие одному или группе минералов: вкус, магнитность и др. Физические свойства минерала определяют на наиболее свежей поверхности образца.

Цвет. Минералы имеют весьма различный цвет в куске. При его определении минерал сравнивают со знакомыми нам в быту цветами и предметами, подчеркивая не только цвет, но и его оттенок: молочно-белый, грязно-белый, кроваво-красный, кирпично-красный, салатно-зеленый, бутылочно-зеленый, темно-зеленый, соломенно-желтый, золотисто-желтый и т. д. Если минерал имеет металлический блеск, к названию его цвета прибавляют название металла, блеск которого имеет минерал: золотисто-желтый, латунно-желтый, оловянно-белый, свинцово-серый, стально-серый, железно-черный и т. д. Окраска минерала может быть изменчива, обычно в зависимости от содержания посторонних примесей.

Некоторые минералы меняют цвет в зависимости от условий освещения. Например, минерал лабрадор при некоторых углах поворота приобретает красивую радужную – синюю или зеленую – окраску. Это свойство минералов называется иризацией. У лабрадора она возникает за счет интерференции света, отражающегося от обеих плоскостей микроскопических трещин спайности, заполненных тончайшими плёночками минерала ильменита (FeTiO₃). Иногда, кроме основной окраски минерала, тонкая поверхностная пленка имеет дополнительную. Это явление называется побежалостью и объясняется интерференцией света в тонких слоях, образующихся на поверхности минералов. Обычно побежалость бывает радужной: у халькопирита поверхность переливается синим, красным, и фиолетовым цветом, у борнита – фиолетово-синим, у антимонита – темно-синим.

Так как не все минералы обладают постоянным цветом, определить минерал только по этому свойству нельзя, необходимо учитывать его в совокупности с другими физическими свойствами минерала.

Цвет черты. Многие минералы изменяют свой цвет при истирании их в порошок. Это свойство определяется с помощью фарфоровой пластинки (бисквита) путем получения черты минерала на ее поверхности. Цвет этой черты и указывает на цвет минерала в порошке. Цвет черты постоянен для каждого минерала и поэтому является определяющим. Однако нужно иметь в виду, что минералы с твердостью выше 6 не истираются на бисквите в порошок, а только его царапают, так как твердость бисквита менее 6. В этом случае говорят, что минерал черты не дает (кварц).

Блеск – это свойство минералов в той или иной степени отражать световые лучи. Различают несколько видов блеска.

Металлический – это сильный блеск, напоминающий блеск поверхности металла (графит, пирит, галенит и др.).

Металловидный (полуметаллический) – напоминает поверхность потускневшего металла (гематит, магнетит в выветрившихся разностях).

Стеклянный – напоминает блеск стекла, в мелкозернистых агрегатах – блеск битого стекла (кальцит, апатит, кварц на гранях кристаллов).

Жирный – напоминает блеск поверхности, смазанной жиром (нефелин, кварц и сера на изломе).

Перламутровый – блеск, обусловленный отражением света от внутренних плоскостей минерала, сильный блеск с радужными оттенками (слюда, тальк, гипс в прозрачной разновидности – марьино стекло).

Шелковистый – подобен блеску шелковых волокон. Им обладают минералы волокнистого строения (селенит – волокнистая разновидность гипса, роговая обманка).

Восковой – характерен для минералов с аморфным или скрытокристаллическим строением (опал, кремень).

Алмазный – сильный блеск, искрящийся, которым обладают алмаз и сфалерит (цинковая обманка).

Если минерал не блестит, его называют матовым.

Прозрачность – свойство минерала пропускать световые лучи сквозь его тонкую пластинку. При макроскопическом определении можно руководствоваться следующим правилом: минералы с черной или темной чертой и металлическим блеском непрозрачны. Минералы с неметаллическим блеском и светлой чертой в какой-то степени прозрачны. По степени прозрачности различают следующие минералы:

прозрачные – через которые ясно видны предметы (горный хрусталь, гипс);

полупрозрачные – через которые видны лишь очертания предметов (халцедон, апатит);

просвечивающие – пропускающие свет только в очень тонких пластинках (полевой шпат, нефелин).

Спайность – это способность кристаллических минералов раскалываться по плоскостям в одном или нескольких кристаллографических направлениях, образуя ровные, зеркально-блестящие поверхности, называемые плоскостями спайности (рис. 4).

Различают следующие виды спайности:

Весьма совершенная, когда минерал при расщеплении или расколе образует листочки, пластинки или обломки, ограниченные плоскостями спайности (слюды, хлорит, гипс).

Совершенная – при расколе минерала преобладают ровные зеркальные поверхности (полевые шпаты, роговая обманка).

Средняя – когда наряду с плоскостями спайности при расколе образуются и неровные поверхности излома (авгит).

Несовершенная – при расколе минерала преобладают поверхности неправильного излома (апатит, оливин).

Весьма несовершенная – минерал спайностью не обладает и при расколе дает только неровные поверхности излома (кварц, халцедон, пирит).

Спайность – свойство, постоянное для каждого минерала. Однако макроскопически она хорошо определяется только в крупных кристаллах. Поэтому, если минерал в мелкозернистой форме, где спайность плохо распознается или не видна совсем, следует выяснить ее по определителю и просто запомнить.

Излом – это вид поверхности, образующейся при расколе минерала. Изломы бывают следующие:

раковистый – с вогнутой или выпуклой концентрически-волнистой поверхностью, напоминающей поверхность раковин (кварц, пирит);

зернистый – характерен для мелкозернистых агрегатов (гипс, магнетит). Как разновидность зернистого различают сахаровидный излом (апатит);

землистый – напоминает шероховатую поверхность кусочка земли и встречается обычно у матовых минералов (фосфорит, лимонит);

занозистый, или игольчатый излом образуется в волокнистых минералах (асбест, роговая обманка, селенит);

ровный излом наблюдается у минералов с весьма совершенной и совершенной спайностью (гипс, кальцит, полевые шпаты);

неровный излом часто встречается и характерен для минералов с плохо выраженной спайностью, имеет неровную поверхность (нефелин, кварц и др.);

ступенчатый излом имеет вид тонкоступенчатой поверхности и характерен для галенита.

Излом не является постоянным свойством минерала. Он изменяется в зависимости от величины и формы кристалла, поэтому является определяющим лишь в совокупности с другими физическими свойствами минерала.

Твердость – это способность минерала сопротивляться царапанью, истиранию или давлению. Она определяется с помощью минералогической шкалы твердости – шкалы Мооса(Фридрих Моос (1773-1839) – немецкий минералог, создавший шкалу), состоящей из 10 минералов (эталонов), твердость которых считается известной (стандартной). Порядковый номер минерала в шкале условно соответствует его твердости (табл. 1).

 

Таблица 1